La magnitud aparent de Neptú és de 7,7; per tant, no s’observa a ull nu. Vist a través del telescopi, apareix com un disc blau verdós de 2,4' de diàmetre. L’òrbita de Neptú, quasi circular, té un semieix major de 4.504 milions de quilòmetres (30,11 UA) i el seu període orbital és de 164,8 anys. Amb un diàmetre de 24.764 km i una massa 17,15 vegades la de la Terra, Neptú té la densitat (1,638 gr/cm3) més gran de tots els planetes anomenats gegants, la qual cosa sembla indicar que, en la composició de Neptú, hi intervenen una quantitat important d’elements pesants del mateix tipus que els que constitueixen la Terra. La seva elevada albedo, de l’ordre de 0,5, indica la presència d’una espessa atmosfera difusora.
La descoberta d’aquest planeta tingué lloc l’any 1846 i representà un dels grans triomfs de la mecànica de Newton. En aquell temps se sabia que el moviment d’Urà a la seva òrbita no era regular, sinó que presentava desviacions més o menys grans de la trajectòria calculada teòricament. Per tal d’explicar aquest fenomen, els astrònoms John Couch Adams, a Anglaterra, i Urbain Leverrier, a França, suposaren, independentment l’un de l’altre, l’existència d’un planeta desconegut, el qual devia ser la causa de les pertorbacions del moviment d’Urà. Aplicant els principis de la mecànica de Newton, ambdós astrònoms calcularen la massa, l’òrbita i la situació del planeta pertorbador a partir de les desviacions observades en l’òrbita d’Urà. Aquests càlculs foren fets en primer lloc per Adams, però la seva joventut feu que no fossin presos gaire seriosament, i la cerca sistemàtica del planeta no s’acomplí. Al cap d’un any, el 1846, Leverrier, que ja era un científic de renom, arribà a resultats semblants als d’Adams, sense conèixer-ne, però, els treballs, i envià les seves conclusions a F.G. Galle, que era astrònom de l’observatori de Berlín. Galle començà la cerca del nou planeta als voltants de la posició predita per Leverrier i l’hi trobà molt pròxim la nit del 23 de setembre de 1846. Curiosament, Galileu Galilei ja havia observat Neptú l’any 1613, quan aquest es trobava molt a prop de Júpiter, tot i que no l’identificà com un nou planeta. Al voltant de la data de màxim apropament dels dos planetes, en l’enregistrament diari que Galileu feia de la posició dels quatre satèl·lits principals de Júpiter, hi apareix una estrella que posteriorment s’ha pogut identificar com a Neptú.
Des del 2006, que la Unió Astronòmica Internacional considerà que Plutó no era un planeta, Neptú passà a ocupar la posició més llunyana entre els planetes del sistema solar.
L’únic giny espacial que s’ha aproximat a Neptú ha estat la Voyager 2, que l’any 1989 se situà a uns 4.800 km del pol nord de Neptú.
Estructura i composició
Neptú és constituït per un nucli de metall i de roques envoltat d’una capa de glaç entorn de la qual hi ha l’atmosfera del planeta. Les diferents capes no semblen presentar fronteres clarament diferenciades, sinó que se suposa que hi ha unes transicions suaus. A més de roques i diversos tipus de gels, és compost per un 15% d’hidrogen i petites quantitats d’heli.
Segons les observacions espectroscòpiques, l’atmosfera és composta, principalment, per hidrogen, heli i una petita quantitat de metà (responsable del color blau verdós del planeta). La temperatura a les regions inferiors de l’atmosfera és d’uns
–217 °C, mentre que la de les regions superiors és d’uns
–133 °C. A l’atmosfera de Neptú s’han enregistrat els vents més ràpids del sistema solar, de més de 2.000 km/h. Com en els altres planetes gasosos, aquests vents es troben confinats en bandes de latitud.
Igual que Júpiter i Saturn, Neptú radia a l’espai més energia de la que rep del Sol, a causa de la conversió en calor de l’energia provinent de la contracció gravitatòria del planeta (mecanisme de Kelvin-Helmholtz).
El sistema de satèl·lits i anells
L’any 1846, poc després de la descoberta de Neptú, William Lassell descobrí Tritó, el primer dels nombrosos satèl·lits de Neptú, i fins el 1949 no se’n descobrí el següent, Nereida. La identificació de la resta de satèl·lits (14 en total, fins el 2017) tingué lloc a partir dels anys vuitanta del segle XX: el 1981, Làrissa; el 1989, Nàiade, Talassa, Despina, Proteu i Galatea; el 2002, Neso, Laomedeia, Sao i Halimede; el 2003, Psamathe. Al juliol del 2013 es descobrí el catorzè satèl·lit, que rebé el nom provisional de S/2004 N1. El 1985 es descobrí l’existència dels anells de Neptú.